开关设备中的故障电弧及其防护

1、安全技术开关设备中的故障电弧及其防护 1故障电弧的危害 在开关设备中，内部故障电弧事故很少发生，但不能完全避开。它一旦发生，将对人身及设备造成极大的危害。因此，熟悉故障电弧的危害并加以防护，是开关设备设计、制造和运行等部门的共同职责,而且国际电工委员会和各国标准对内部故障电弧的试验和判据都作出了更加明确的规定。 故障电弧能够在很短时间内形成高压力和高温。如在低压开关设备中，故障电弧会在10ms内将温度上升到13000K，同时在约15ms内将压力上升到约2105Pa3105Pa。设备内的零部件，例如门，在这样的高压力作用下会脱离固定机构并被掀开。高温还使设备内发生熔化和蒸发过程，结果产生毒气，毒

2、气又在压力作用下向外排出。这会对四周的工作人员带来生命危急。工作人员吸入毒气造成死亡的例子不少。而更多的状况是烧伤皮肤和使人目眩。 除了人身损害外，还有设备的损坏，如建筑内的开关设备和二次系统部分地或全部地被破坏。即使破坏过程结束后，用户还要承受长时间停产及昂扬的事故费用。 依据德国精密机械和电工技术职业协会(BGFE)的事故统计报告，故障电弧事故约占总电流事故的25%。假如将电流事故与运行中常规事故的人均费用作一比较，则2000年的电流事故为29654欧元，而正常运行事故仅为4484欧元。统计还显示，2000年电气专业人员在电流事故中受损害占60%以上,而34%的电流死伤事故则发生在开关设备

3、中。 2内部故障电弧的试验及判据 正由于故障电弧涉及到人身和设备平安，引起了国际社会和各国的高度重视。在低压技术中，有关低压开关设备内部故障电弧的国际试验标准为IEC/TR361641：1996-01。在德国乃至欧洲的试验标准为DINEN06601附录部分2。这些标准包括了"故障电弧条件下的人身防护'和"故障电弧条件下的设备防护'等名词术语。故障电弧条件下的人身防护，是指开关组合电器在故障电弧的机械和热力作用下限制危及人身平安的力量。故障电弧条件下的设备防护是指开关组合电器在故障电弧条件下限制影响设备功能的力量。人身防护和设备防护试验，包涵不了全部的危害效应

4、，诸如有毒气体、光辐射、热气流、声压和高压力等。 低压开关设备的故障电弧防护分"结构上的故障电弧防护'和"故障电弧防护装备'。结构上的故障电弧防护是通过开关组合电器的结构来实现的，以防止故障电弧的产生。结构上的故障电弧防护只能在设备封闭状况下限制故障电弧的效应，一旦设备被打开，则不起作用，这就需要附加防护装置。 在中压开关设备方面，国际电工委员会(IEC)现对迄今的中压开关设备标准IEC60298进行了修订。修订的重点放在使用的平安性、可利用率及维护方面，这就是说，标准的规定更多地放在使用目的上，而较少关注结构特点。基于此种转变，将中压开关设备重新划分了等级

5、，并对故障电弧的防护也通过试验程序和评价判据使之更加明确。国际电工委员会将以新标准IEC62271200取代老标准IEC60298：1990-12。 在将来的新标准中，故障电弧防护的地位有了明显的提高，对试验条件作了规定，而不再是制造商和用户之间协商，同时不行对判据作选择。 试验条件规定，试验至少由两面开关柜组成，而且对每个隔室的试验，至少在一个终端柜进行。试验持续时间的优选推举值为1.0s/0.5s/0.1s。 新标准对试验的判据也作了补充和修订。新的5条判据如下： 判据1：门和盖仍应关闭;若没有任何部分抵达指示器或墙壁，可接受有变形。其附加条件是，假如设备在安装与试验时需要更靠近墙壁时，其

6、永久性变形应小于规定的对墙壁距离，而且喷出的气体不得朝向墙壁。 判据2：试验期间，壳体不得消失裂开;不得有单重至60g的物体飞出。 判据3：在直至2m高度处，可自由接近的壳体外部分，不得烧穿成孔洞。 判据4：指示器不得受热而点燃(垂直和水平指示器包括在一个判据内)。 判据5：接地连接仍旧有效。检验通过目检，必要时(有怀疑时)通过测量。 通过试验后，将等级IAC(内部故障电弧等级)标记在铭牌上，并附下列说明：可接近等级A、B或C，接近侧标明"F，L或R'(前面，侧面，后面)，并标明试验电流(kA)和试验持续时间。 这样，故障电弧防护试验由于有了明确的试验条件和判据，使之更加具有

7、可比性，用户更简单评价其平安性。 3故障电弧的防护 从总体上来讲，故障电弧的防护分乐观防护和消极防护。前者防止电弧的产生，后者限制电弧的负面效应。 乐观防护措施如下： (1)结构措施：将带电件绝缘和部分绝缘;结构设计中不形成弧根;采纳耐弧绝缘材料;设立隔离壁和隔板;有足够的导体间距离、空气和爬电距离。 (2)使用的元件：使用损失能量小的电气设备;实行过电压爱护。 (3)运行管理：对设备进行检查和维护;对设备进行空调;检查接触和连接部位;清洗和检验绝缘件。 (4)防止误操作：进行电气和机械联锁;进行人员培训。 消极措施主要是限制电弧产生的消极效应。消极措施包括： (1)空间限制：使用耐压和耐热的

8、材料;设备总体按耐压温度和耐热性设计。 (2)限制电弧能量：通过带短路装置的故障电弧防护装置限制电弧持续时间;通过限流器限制电弧的能量。 内部故障电弧的能量很大，其危害极大。如在一条短时耐受电流为25kA和电弧电压约为600V的20kV电力系统中，电弧释放的能量为40.5MJ。这个能量可使15.6L的水在1s内蒸发，或使42kg的铁在1s内熔化。 内部故障电弧释放的大量能量，会使压力急骤上升，并造成严峻的热效应。因此，开关设备制造商已熟悉到内部故障电弧造成的严峻后果，纷纷在自己的开关设备上实行措施，限制内部故障电弧的效果，削减其影响。一般来说，一共性能好的开关设备均实行乐观和消极这两种措施，以

9、达到最佳限制内部电弧的效果。在现有的消极措施中，故障电弧防护装置是削减电弧能量的好方法。 4"Arcon'故障电弧防护装置 该故障电弧防护装置由传感技术、计值单元和灭弧装置组成，以确保最大人身和设备平安。这是德国Moeller公司研制的新品。它将故障电弧的效应限制到它的弧根处。该装置在排解了故障缘由和交换灭弧装置后又作好了运行预备。 当消失故障电弧时，传感器检测到放射的光和电弧电流，并在主掌握器内计值。主掌握器将灭弧命令下达给灭弧装置。灭弧装置(ARCAT)形成一个并行于故障部位的三相金属短路。由于母线上电压降低，使之燃弧所需的电压下降，电弧在点燃后不到2ms内(65kA时)熄灭。这就意味着未达到造成破坏的最大值。由灭弧装置产生的三相短路被断路器开断。 这种故障电弧检测装置由光和电流传感器及电子计值单元组成。基于光纤的光传感器可以监视主母线和支母线以及全部母线连接和接头系统。在这里还用点传感器取代线传感器来监视设备。电弧电流的检测通过每个断路器前的测量互感器。在故障电弧状况下，由传感器监测和处理放射的光和电弧电流。全部为故障电弧的主母线供电的断路器脱扣，并开断电弧。 故障电弧检测装置的总开断时间主要取决于断路器的动作时间，介于3070ms之间。 脱扣单元监视2个单独的母线段，并相应地接到各母线段所属的灭弧装置。在设备内，装有多